– Я бы попросила Вас рассказать мне как не физику, обычному человеку: что сделал Стивен Хокинг для науки?
– Он последовательно работал в трёх областях: классическая теория гравитации, квантовая теория гравитации и, наконец, космология.
Первые публикации относятся к 1966-1967 годам, а в 1970 году появилась работа, выполненная в соавторстве со знаменитым английским математиком и физиком Р. Пенроузом. Итогом всех этих исследований стало то, что мы сейчас называем теоремами Пенроуза-Хокинга (или Хокинга-Пенроуза) – их несколько. Они о том, что в общих решениях уравнений гравитационного поля возникает сингулярность. Сейчас каждое из этих слов я объясню.
Уравнения гравитационного поля – уравнения Эйнштейна – математическая основа общей теории относительности, как мы ее называем. Теоремы Пенроуза-Хокинга – это математическая физика, это теоремы существования (или несуществования), подобные теореме Ферма или гипотезе Пуанкаре, доказанной Перельманом в чистой математике. В них идет речь о возникновении сингулярности при выполнении определенных условий. Что такое сингулярность? Напомню, что гравитационная сила универсально действует на все тела – ускорение, вызываемое ей, не зависит от их массы. Поэтому, согласно общей теории относительности, гравитационное взаимодействие можно описывать не как силу, а как искривление четырехмерного пространства-времени.
Сейчас вокруг нас мы этого искривления почти не видим – в частности, как нас учат в школе, сумма углов треугольника равна 180 градусам. Но есть места в пространстве и во времени, где пространство-время очень сильно, формально даже бесконечно, искривлено. Там сумма углов треугольника может сколь угодно отличаться от 180 градусов, да еще при этом быстро меняться со временем. По Эйнштейну, кривизна пространства-времени связана с энергией и импульсом материи. Поэтому там, где пространство-время очень искривлено, может быть много материи (хотя и не всегда).
Перейдем к слову «общие» (решения) из содержания теорем Пенроуза-Хокинга. Тот факт, что такая сингулярность могла быть в нашем далеком прошлом, был известен достаточно давно – именно таким свойством обладает модель Фридмана однородной изотропной Вселенной, являющаяся основой космологии уже более 90 лет. Но поскольку это решение частное и симметричное, то существование сингулярности в нашем прошлом вызывало постоянные сомнения: а не есть ли сингулярность в этой модели только математическая идеализация, которая в природе не реализуется?
Так вот, то, что Пенроуз и Хокинг доказали, что сингулярность встречается в общих, то есть типичных, решениях уравнений Эйнштейна, эти сомнения отмело. Практически это означает, что в природе сингулярности пространства-времени заведомо встречаются. Не повсеместно (как я сказал выше, при выполнении определенных условий), но если мы будем их искать, то найдём. Вот пример другого общего решения уравнений Эйнштейна – черные дыры. Опять же, черные дыры – это не то, что существует повсеместно: вокруг нас, в непосредственной близости, их нет (к счастью для нас). Но если мы будем искать их, то найдем. И нашли.
Таким образом, итогом этих теорем существования, доказанных Пенроузом и Хокингом, было то, что после этого физики стали уверены: раз математики доказали, что сингулярность встречается, значит, она в природе где-нибудь есть. И в частности, что уже следует из этих теорем, она была в прошлом нашей Вселенной, примерно 14 миллиардов лет тому назад. Однако эти теоремы существования ничего, или почти ничего, не говорят о том, какова была Вселенная вблизи сингулярности, какие физические процессы в ней происходили и остались ли от той эпохи какие-либо следы, артефакты, которые можно найти и измерить сейчас. Поэтому Стивен Хокинг, как и другие ученые, стал задаваться подобными вопросами и переместился в квантовую теорию гравитации.
Главная и самая знаменитая его работа в этой области вышла в 1974 году. В частности, он ввел там понятие «температура черной дыры», которую мы теперь называем «температурой Хокинга». Он сам этим очень гордился и хотел, чтобы на его могильном памятнике была написана математическая формула этой температуры. Чем черная дыра массивнее, тем ее температура ниже, поэтому для наблюдаемых черных дыр с массой порядка массы Солнца и более этот эффект ничтожен.
Он мог бы наблюдаться для очень маленьких по космическим масштабам чёрных дыр, скажем, с массой в десять в девятой степени тонн – как у маленького астероида. Но таких чёрных дыр не нашли, и есть серьёзные основания полагать, что таких черных дыр и не должно быть. Тем не менее как для многих ученых, так и особенно для широкой публики, большим потрясением было узнать, что, оказывается, черные дыры не абсолютно черные, а все-таки светятся, излучают различные частицы и за счет этого могут в конце концов исчезнуть совсем.
Можно сказать, что я в определенном смысле был предтечей этой работы и стимулировал Стивена Хокинга на размышления в этой области. Во время нашей первой встречи летом 1973 года (это было в Польше, вначале в Варшаве, а затем в Кракове) я доложил на большой международной конференции, а затем рассказал ему лично свою работу, опубликованную в январе 1973 года, в которой доказал ранее высказанную гипотезу Я. Б. Зельдовича о том, что вращающиеся чёрные дыры рождают пары частиц-античастиц и теряют из-за этого свою энергию вращения (но исчезнуть совсем они не могут). Это похожий, и тоже квантово-гравитационный эффект, но другой, он отсутствует для невращающихся черных дыр.
Тут даже аналогия с обычной физикой и термодинамикой используется иная – мы говорим о «химическом потенциале» вращающихся черных дыр. Осенью того же года Стивен Хокинг приехал в Москву и встречался с Я. Б.Зельдовичем и мной снова, о чем он упоминает в своей книге «Краткая история времени». В итоге он послушал нас и пошел дальше, открыв свой «температурный», и более «эффектный» эффект. Но опять-таки, как я сказал, непосредственного наблюдения этого феномена мы пока не ждем.
Поэтому естественно, что Хокинг переместился туда, где можно ожидать, увидеть и измерить следы квантово-гравитационных процессов, – в космологию. Такую возможность дает как раз существование сингулярности в прошлом нашей Вселенной, о чем было сказано выше. И в этой области науки его лучшей и самой близкой к реальным астрономическим наблюдениям я считаю работу лета 1982 года, сделанную в ходе знаменитого Наффилдовского симпозиума в Кембридже.
К тому моменту уже существовали модели инфляционного сценария ранней Вселенной (начиная с моей модели 1980 года, которая пока что наилучшим образом описывает современные наблюдательные данные), но астрономы не верили, что теоретики могут непротиворечиво рассчитать квантово-гравитационные эффекты и предложить им такие следствия этого сценария, которые можно измерить и тем самым либо подтвердить, либо опровергнуть теорию. Так вот, прямо в ходе этого симпозиума трое человек – Стивен Хокинг, я и Алан Гут (тоже один из авторов инфляционного сценария) – независимо сделали три работы, в которых мы взяли так называемую «новую» инфляционную модель, предложенную за три месяца до этого Андреем Линде, а также независимо Альбрехтом и Стейнхардтом (она казалось самой простой в тот момент), и рассчитали в ней квантово-гравитационный эффект, который приводит к возникновению всех наблюдаемых ныне неоднородностей в современной Вселенной.
Примеры таких неоднородностей: все галактики, звезды, планеты и, в конечном счете, мы сами. Наши результаты совпали в главном. И это был тот редкий случай, когда наука делается в ходе конференции (не то, что ученые съезжаются и привозят домашние заготовки, или докладывают уже опубликованные статьи). Если говорить более конкретно, мы вычислили, как амплитуда неоднородностей во Вселенной зависит от их масштаба. Почти незаметно, но все-таки очень слабо зависит. Главное – мы дали астрономам то, что они могли практически измерить, после чего они сразу очень заинтересовались инфляционным сценарием. В конце концов они сделали необходимые измерения, но до первого, еще не самого точного результата, подтвердившего теорию, прошло 10 лет.
— Как Вы уже сказали, одновременно со Стивеном Хокингом Вы рассчитали спектр начальных возмущений в новой инфляционной модели Вселенной. Чувствуют ли физики в таком случае конкуренцию? Или важнее само научное открытие?
– Конкуренция, скорее, возникла позже, когда инфляционный сценарий был принят международным научным сообществом как нечто реальное. В тот же момент главной целью было доказать астрономам, что эта теория есть не чисто математическое измышление, а нечто измеримое и проверяемое. Кстати, уже в последние годы, когда появились значительно более точные астрономические наблюдения, в особенности от космического эксперимента «Планк», стало ясно, что эта «новая» модель все же не очень проходит. Та упомянутая выше слабая зависимость амплитуды неоднородностей от их масштаба, к которой она приводит, хуже соответствует наблюдательным данным по сравнению, например, с моей моделью 1980 года.
А еще в тот момент было важно преодолеть расхожее мнение, будто «квантовой гравитации не существует», то есть, что в ней нельзя получить какие-либо внутренне непротиворечивые результаты. И в ходе конференции в связи с этим обстоятельством возник свой внутренний драматизм: одновременно трое участников придерживались вначале именно такого мнения и получили результат другой (и неверный). Однако в ходе дискуссий на симпозиуме – кто же из нас прав, чьи результаты верны – они все перешли на нашу сторону.
– Как Вам кажется, можно ли сказать, что одна из деятельностей Хокинга – его «чисто» научная работа или вклад в популяризацию физики – была важнее другой? Можно ли так поставить вопрос?
– Думаю, вопрос так ставить нельзя. Для разных людей – разное. Мы, ученые, работающие в той же области науки, не очень-то много и читали его популярные работы. Нам куда интереснее было, что он пишет как ученый, как эксперт. А вот для людей вне науки, естественно, куда важнее популярные книги и статьи. Кроме того, и в популяризации науки есть два разных элемента. Раньше делали ударение на том, что она нужна для того, чтобы люди поняли результаты, полученные наукой, заинтересовались ими, и в конечном счете пошли бы работать в науку.
Сейчас у популяризации есть и другая цель: не привлечь людей к тому, чтобы они наукой занимались сами, но показать, что наука очень важна для человечества в целом, чтобы они (как налогоплательщики, в частности) согласились бы часть своего общего труда в денежной или другой форме отдавать на то, чтобы эту науку финансировать. И в этом смысле как раз деятельность Стивена Хокинга была очень успешной. Она помогла доказать, что есть небольшая группа очень умных людей, которая занимается фундаментальными проблемами мироздания, и эти проблемы настолько важны и интересны, что стоит финансировать их исследования и дальше.
– Стивен Хокинг был одним из немногих ученых современности, которого знали обычные люди, не связанные с наукой. Он появлялся в фильмах и сериалах, и в каком-то смысле стал медийной личностью. Могло ли это повлиять на развитие науки и ее популяризацию, значимо ли было это?
– Мне кажется, что люди вне науки нуждаются в представлении о том, что где-то есть гении, которые знают все тайны Вселенной. Скажем откровенно – это неправильное представление, в действительности таких гениев нет. Ни сам Стивен, ни другие выдающиеся ученые, естественно, не утверждали в разговоре со своими коллегами, что знают все тайны Вселенной. Но в его популярных книгах такая мысль проскальзывает, хотя и не буквально. В каком-то смысле и Эйнштейнов было и есть два: Эйнштейн для ученых и Эйнштейн для людей. Людям приятно думать, что есть люди всезнающие.
В некотором смысле физическая немощь Хокинга тут даже помогала: она подчеркивала, что человек, лишенный возможности двигаться (в действительности, конечно, это было не так, и на своей коляске он разъезжал всюду, ездил во многие места, куда обычные люди не путешествуют), единственно силой своего разума может постичь и узнать все. В каком-то смысле успех его книг показывает, что люди хотят верить в существование таких всезнающих людей.
– Из-за потребности в герое, в которого мы верим?
– Я подчеркиваю: не просто в герое, но именно во всезнающем герое. Просто героев такого типа у нас много. Сейчас, например, идет Параолимпиада. Многие люди, несмотря на ограниченные физические возможности, достигают фантастических успехов в спорте и т.д. Здесь же важнее то, что это не просто сила духа, но еще, и главное, сила ума.
– Каково, по Вашему мнению, значение работ Стивена Хокинга для будущего и развития науки?
– Самое важное, как я уже сказал, – это то, что мы теперь точно знаем о существовании таких удивительных вещей, как классическая сингулярность и квантовое испарение черных дыр. Своими работами Стивен Хокинг внес также большой вклад в инфляционный сценарий ранней Вселенной – теперь общепризнано, что это не академическое упражнение, что каждую его конкретную модель можно подтвердить, либо опровергнуть наблюдениями (уже многие отвергнуты, но остается относительно небольшое количество вполне и даже очень жизнеспособных). Более того, квантово-гравитационные эффекты (точнее говоря, их макроскопические проявления) реально наблюдаемы.
Созданные ими начальные неоднородности распределения материи во Вселенной измерены. Но это все-таки смешанный эффект, в котором участвует и квантовая гравитация, и квантовые поля обычной материи (в том числе протоны, нейтроны, электроны). Существует чисто квантово-гравитационный эффект – первичный фон квантово-гравитационных волн, впервые для инфляционного сценария рассчитанный в моей работе 1979 года, и для него есть четкие предсказания. Измерить его трудно, но можно.
В течение ближайших десяти лет планируется запустить большие проекты, которые позволили бы найти эти первичные гравитационные волны. Так что усилиями Стивена Хокинга и других ученых удалось сломить скептиков и доказать, что можно, интересно и важно искать измеримые квантово-гравитационные эффекты.
Алина Зражаева
